Сатурн - Властелин Колец
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Сатурн: Властелин Колец

Исследования Энцелада

ЧАСТЬ I

    Более четверти века назад «Вояджер-2», следуя через систему Сатурна, прошел всего в 90 тыс. км от Энцелада, одного из спутников этой планеты. Тогда зонд передал на Землю снимки, над которыми затем многие годы ломали голову специалисты. Энцелад выглядел «белой вороной» даже среди таких разнообразных космических тел, как спутники Сатурна, На его снежно-белой ледяной поверхности обнаружились обширные области без единого кратера, что указывало на внутреннюю геологическую активность в прошлом.

    Имея диаметр чуть более 500 км, Энцелад, по-видимому, слишком мал, чтобы выделять собственное тепло. Возможно, с ним произошло что-то необычное, стершее следы падений метеоритов с его поверхности.

    На спутнике Сатурна Энцеладе фонтаны снега и водяного пара, насыщенные органическими соединениями, вырываются из «тигровых полос» — теплых разломов на поверхности. Как тело размером чуть более 500 км способно поддерживать столь бурную активность?
    Причиной этого может быть жидкость под грунтом, возможно, океан, усиливающий эффект приливного нагрева. Об этом говорят данные, полученные в ходе недавних пролетов зонда.
    Если на Энцеладе есть жидкая вода, то он наравне с Марсом и спутником Юпитера Европой становится объектом поиска внеземных форм жизни.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

    Короткий визит «Вояджера» позволил составить лишь общее впечатление об этом небесном теле, да и условия съемки оказались очень неудачными. Было получено несколько снимков северного полушария со средним разрешением и несколько изображений южного полушария с низким разрешением. Но ни одного снимка южного полюса не было. Ученые и не догадывались, чего тогда лишились.
    Интерес к Энцеладу, возникший после визита «Вояджера», был так велик, что детальное его исследование стало основной задачей полета «Кассини» к Сатурну. Запущенный в 1997 г. и оснащенный сложнейшей аппаратурой, «Кассини» семь лет добирался сквозь межпланетное пространство к внешним областям Солнечной системы. Летом 2004 г. он, наконец, достиг цели. В декабре того же года он сбросил зонд в атмосферу Титана — крупнейшего спутника Сатурна. Затем приступил к изучению остальных спутников, в том числе и Энцелада, который исследовал в течение нескольких месяцев с особенно близкого расстояния.
    Все, о чем мечтали планетологи, обнаружилось на маленьком, тектонически активном небесном теле. Теперь этот крошечный объект, затерянный среди других на краю Солнечной системы, оказался в центре внимания. Энцелад не только обладает достаточной температурой для поддержания геологической активности, которая изменяет вид его поверхности, но он также богат органическими соединениями и, возможно, в его недрах скрыты каналы или даже океан жидкой воды. Как известно, для зарождения жизни нужны три компонента: органическое вещество, энергия и жидкая вода. Исследуя этот далекий и необычный объект, мы обнаружили среду, потенциально пригодную для существования живых организмов. Что может быть интереснее?!

ПАРАМЕТРЫ ЭНЦЕЛАДА
    Масса: 1,08 х 1020 кг
    Диаметр: 504 км
    Плотность: 1,61 г/куб. см
    Среднее расстояние от Сатурна: 238,037 км
    Орбитальный период: 1,37 суток
    Эксцентриситет: 0,0047
    Наклонение орбиты к экваториальной плоскости Сатурна: 0,0083°
ПАРАМЕТРЫ ЭНЦЕЛАДА

    Намек на то, что мы столкнулись с чем-то очень важным, появился раньше, чем «Кассини» впервые сблизился с Энцеладом. В то время его не все смогли оценить. В январе 2005 г. камеры зонда получили первое изображение спутника в контровом освещении, как говорят астрономы, при большом фазовом угле Солнца. Как пыль на лобовом стекле вашего автомобиля становится заметной, когда вы едете навстречу источнику света, так и мелкие частицы, разбросанные по Солнечной системе, становятся видны, когда вы смотрите сквозь них в сторону Солнца. Такие условия наблюдения оказались очень выгодными при полете «Вояджеров»: они позволили выявить трудно различимые структуры в кольцах и атмосферах внешних планет и их спутников. И они же дали ключ к исследованию Энцелада.

Активные струи с поверхности Энцелада формируют светлый расширяющийся выброс, который стал виден благодаря рассеиванию солнечного света среди мироскопических частиц льда. Ледяной выброс отчетливо заметен тогда, когда Солнце расположено за Энцеладом. Видимая поверхность освещена отраженным от Сатурна светом. Обзор получен в видимом спектре узкоугольной камерой 17 сентября 2008, Кассини в этот момент пролетал на расстоянии в 235 000 км от Энцелада.
ГЕЙЗЕРЫ НА ЭНЦЕЛАДЕ

    На снимках, полученных в январе 2008 г., были видны яркие выступы над южным полярным лимбом спутника. Ветеранам «Вояджера», все это напомнило вулканические извержения на спутнике Юпитера Ио и призрачные туманы в атмосфере спутника Нептуна Тритона. Некоторые члены группы были уверены, что вспышки свидетельствуют о выбросе вещества из южного полюса. Другие предполагали, что это может быть дефектом, возникшим при съемке в направлении Солнца.
    К сожалению, ученые были очень заняты планированием будущих наблюдений и подготовкой научных статей, поэтому не предприняли детального анализа, который помог бы разрешить спор. Не имея времени для тщательной проверки, я решила не высказываться публично. Я понимала, насколько ошеломляющим стало бы заявление об открытии струй вещества, вырывающихся из поверхности спутника, считавшегося безжизненным с геологической точки зрения. Особенно если вскоре мы будем вынуждены признать, что это был всего лишь дефект снимка. Но, к счастью, нам не пришлось долго ждать.
    Первые два пролета вблизи Энцелада, в феврале и марте 2008 г., произошли вдоль экватора спутника. Оба дали впечатляющий результат: равнины, замеченные «Вояджером», оказались совсем не ровными. Они покрыты многочисленными трещинами шириной менее километра, местами пересеченными множеством прямых или извивающихся желобков. В других местах поверхность прорезана ущельями глубиной в полкилометра. И в более мелком масштабе паутина из почти параллельных узких трещин покрывает рельеф, разделяя его на отдельные области. Эти «шрамы» ясно свидетельствуют о том, что в прошлом Энцелад неоднократно проявлял тектоническую активность.
    Февральский пролет мимо Энцелада также пришелся при большом фазовом угле, и на этих снимках выступы оказались видны еще четче, чем прежде. К тому же магнитометр показал, что силовые линии магнитного поля Сатурна искривлялись, когда из-за вращения планеты они проходили мимо Энцелада, а это говорило о том, что они захватывали тяжелые ионы. Источником этих ионов, вероятно, был южный полюс Энцелада. Ситуация начинала проясняться: выступы, зафиксированные на изображениях спутника, наверняка существуют в действительности.

При первом пролете мимо Энцелада в 1981 г. «Вояджер-2» передал не очень четкие изображения ограниченной области. Гладкие области указывают на геологическую активность в прошлом.
ГЕЙЗЕРЫ НА ЭНЦЕЛАДЕ

    Группа ученых, работавших над проектом «Кассини», представила свои результаты руководителям и попросила уменьшить высоту пролета в июле 2005 г. с 1000 км до 168 км. Руководство согласилось. 14 июля «Кассини» пролетел над южной полярной областью Энцелада и впервые передал четкое изображение южного полюса. Пейзаж оказался не похожим ни на что иное в Солнечной системе.

На этом снимке, переданным с «Кассини», Энцелад проходит перед Дионой, более крупным и далеким спутником, притяжение которого косвенно способствует активности Энцелада. На переднем плане — внешняя часть кольца Сатурна.
ГЕЙЗЕРЫ НА ЭНЦЕЛАДЕ

    Район южного полюса — почти круглая область без кратеров, изрезанная глубокими параллельными трещинами, похожими на следы тигриных когтей, поэтому мы назвали их «тигровыми полосами». Почти на равном расстоянии друг от друга они тянутся на 130 км и в конце изгибаются крючком. В своих центральных частях полоски ярче, чем в среднем вся пересеченная поверхность данной области. Сама область резко обрывается на южной широте 55°, упираясь в тесные ряды извивающихся гор и долин, концентрически охватывающих южный полюс. Этот пограничный горный пояс разделен по долготе примерно через 45° длинными трещинами; некоторые из них тянутся до экватора в почти лишенные кратеров районы.
    Примкнувший к команде сотрудник Корнельского университета Пол Хельфенстейн (Paul Helfenstein) предположил, что структура гор и долин, окружающих южный полюс, указывает на то, что складчатый пояс образовался в результате изгибов поверхности, сжатой горизонтальным давлением в направлении север-юг, подобно тому, как тектоническое сжатие на Земле создало Гималаи. А ограниченная этим поясом область на Энцеладе подобна нашему Срединно-Атлантическому хребту, где поднимающееся из недр вещество вызывает спрединг океанической земной коры.
    Поверхность этого маленького спутника, должно быть, хранит следы драматического прошлого, но и то, что мы видим сейчас, совершенно удивительно. Когда «Кассини» пролетал над южной полярной областью, его пылевой анализатор собрал крошечные частицы, выброс которых, вероятно, произошел в районе «тигровых полос». Два других прибора обнаружили водяной пар, и один из них заметил наличие двуокиси углерода, азота и метана, через разреженное облако которых прошел «Кассини».
    Кроме того, инфракрасная камера зафиксировала рост температуры в районе трещин до 180° К, что существенно выше тех 70° К, до которых Солнце способно нагреть эту поверхность.В этих местах выделяется 60 Вт/кв. м тепла, что гораздо больше, чем 2,5 Вт/кв. м, выделяющиеся в Йеллоустонской геотермальной области. А участки поверхности, неразрешимые для инфракрасной камеры, могут быть еще горячее.

Энцелад (слева от центра) в десять раз меньше крупнейшего спутника Сатурна Титана. Столь мелкие тела быстро теряют внутреннее тепло. Все они, кроме Энцелада, геологически мертвы. Почему же активен Энцелад?
ГЕЙЗЕРЫ НА ЭНЦЕЛАДЕ

    До сих пор не верится, что мы обнаружили столь удивительный объект. Мы сразу же запланировали на конец ноября 2005 г. получение специальной серии снимков для осмотра южного полюса с высоким разрешением при очень большом фазовом угле. К этому времени собралось довольно много изображений других спутников при большом фазовом угле. Вместе с аналитиками группы я смогла доказать скептикам, что, поскольку на изображениях других спутников нет никаких вспышек, следовательно, то, что мы видим на Энцеладе, не может быть просто дефектом. Сомнения рассеялись: мы поняли, что видим гигантские струи мельчайших частиц, взметнувшиеся над южным полюсом спутника по крайней мере на несколько сотен километров.

"Тигровые полосы" продолжают изливать ледяные частицы на орбиту Сатурна, делая эту луну одной из самых геологически активных тел в солнечной системе. Энцелад на снимке показан напротив вечерней стороны Сатурна. Длинная выдержка при съемке отчетливо показала фонтаны южного полушария луны. (4 мая 2006, 2.1 млн. км от Энцелада).
ГЕЙЗЕРЫ НА ЭНЦЕЛАДЕ

    Cерия замечательных черно-белых снимков серповидного Энцелада была получена 27 ноября 2008 и ясно показала более дюжины узких фонтанов из мелких ледяных частиц, вылетающих в пространство и образующих огромный, похожий на язык пламени, выступ над южным полюсом. Изучив изображения, Джозеф Спитейл (Joseph Spitale) из Космического института и я показали, что источники выбросов совпадают с самими горячими местами «тигровых полос»; это стало надежным доказательством связи между теплом и активными выбросами. Большинство частиц падает обратно на поверхность, но некоторые получают достаточную скорость, чтобы выйти на орбиту вокруг Сатурна. Именно из них сформировалось самое далекое кольцо Е. С любой точки зрения, эти снимки стали бесспорным доказательством внутренней активности маленького холодного спутника, что стало крупным открытием. Мы чувствовали себя как первые зрители феерии гейзеров Йеллоустона.

Повышение температуры

    Первые научные статьи об Энцеладе по результатам, полученным с «Кассини», появились в марте 2006 г., и началось. Все говорили только об Энцеладе. С тех пор «Кассини» еще несколько раз пролетел над спутником. Проникая все глубже в плотные области струй, он опустился до высоты 25 км над поверхностью. Во время одного из самых низких пролетов в конце марта 2008 г. «Кассини» уточнил свои измерения водяного пара, азота, двуокиси углерода и метана. К тому же он обнаружил в небольшом количестве другие углеродсодержащие вещества, такие как ацетилен и синильная кислота, а также следы этана, пропана, бензола, формальдегида и другой органики.
    Во время другого очень низкого пролета в августе наши камеры были направлены на источники фонтанов на поверхности. Зонд перемещался так быстро, что пришлось разработать специальный алгоритм ведения камеры за объектом, напоминающий стрельбу по тарелочкам, чтобы избежать смазывания изображений. Ряд отлично выполненных снимков позволил выяснить, что глубина «тигровых полос» составляет 300 м, они имеют V-образные стенки и состоят из ледяных блоков размером с дом, разбросанных по склонам и вокруг. Области вдоль склонов выглядят ровнее обычной поверхности, вероятно, из-за свежевыпавшего снега.

Южное полушарие Энцелада «Кассини» впервые показал в 2005 г. На этой мозаике поверхность изображена так, как она выглядела бы, если бы наши глаза видели не только оптические, но также инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. (Нормальному глазу эта поверхность кажется ровной и белой.) Тигровые полоски, рассекающие южную полярную область, теплые и геологически активные. Их голубоватый цвет вызван тем, что они покрыты льдинками более крупного размера, поглощающими инфракрасные лучи.
ПОВЕРХНОСТЬ ЭНЦЕЛАДА

    Неожиданно обнаружилось, что ближайшие окрестности каждого выходного отверстия не сильно отличаются от других мест вдоль трещин. Мы предполагаем, что ни одно из выходных отверстий не может долго действовать активно. Из-за конденсации пара растут ледяные пробки, которые затыкают отверстие еще до того, как оно успевает заметно изменить окружающую поверхность. В то же время под действием давления где-то в другом месте трещины появляется новое выходное отверстие, которое тоже вскоре закупоривается. Процесс продолжается непрерывно. Длительная киносъемка могла бы доказать миграцию выбросов вдоль трещин.
    Полученные снимки не только позволили нам увидеть замечательное геологическое явление, но и помогли точно измерить размер и форму Энцелада. Анализ изображений и данных о массе спутника, измеренной по гравитационным возмущениям траектории «Кассини» во время близкого пролета, показал, что Энцелад — самый каменистый из крупных спутников Сатурна. Его средняя плотность (1,6 г/куб. см) свидетельствует о том, что скальные породы составляют 60% его массы. Вполне вероятно, что у него есть каменистое ядро, окруженное оболочкой из водяного льда толщиной в десятки километров.
    На Земле скальные породы содержат радиоактивные вещества, выделяющие тепло. То же самое должно происходить на Энцеладе. Но этого не достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемый тепловой поток. Единственным дополнительным источником тепла служит приливный разогрев. Точно так же, как гравитация Солнца и Луны слегка деформирует нашу планету, вызывая приливы и отливы в океане, гравитация Сатурна деформирует Энцелад. Орбита спутника не круговая, его расстояние от Сатурна постоянно меняется. Чем ближе он подходит к планете, тем больше деформируется. Этот ежедневный «массаж» приводит к выделению тепла. Гравитация может вызывать и изменения на поверхности. «Тигровые полосы» расположены под углом 45° к направлению на Сатурн: такая ориентация очень хорошо объясняется приливными силами.

Мало кто из планетологов ожидал, что на Энцеладе будет обнаружено такое разнообразие ландшафтов. На изображениях, переданных «Кассини», с разрешением в шесть раз лучшим, чем у снимков «Вояджера-2», видно, что большие участки северного полушария покрыты кратерами, а значит, они значительно старше, чем гладкая область южного полюса. Но трещины, складки, горные хребты и впадины указывают, что в обоих полушариях поверхность подвергалась переработке
МНОГОЛИКИЙ ЭНЦЕЛАД

    Степень нагрева зависит не только от эксцентриситета орбиты (ее отличия от окружности), но и от внутреннего строения спутника. Очень твердое тело сопротивляется деформации, а очень мягкое деформируется, но не рассеивает энергию в виде тепла. Пластичный спутник, состоящий из вязкого вещества, будет поглощать энергию и нагреваться, равно как и более твердый, но покрытый трещинами, в коре которого куски льда трутся друг о друга и выделяют тепло. Тепло может выделяться не равномерно во всем объеме спутника, а концентрироваться в ледяной оболочке или даже в ограниченных ее областях, например в трещинах.
    Обычно приливный разогрев сам себя отключает. Веществу требуется время для деформации, поэтому искажение формы спутника отстает от силы, его вызывающей. В результате возникает момент гравитационной силы, влияющий на орбитальное движение спутника и постепенно превращающий его орбиту в круговую. Приливное напряжение перестает меняться, спутник принимает определенную форму и нагрев прекращается. Однако Энцелад остается на эллиптической орбите из-за орбитального резонанса с более крупным спутником Дионой. За время двух орбитальных оборотов Энцелада последний совершает один оборот. Такая синхронизация вызывает периодические гравитационные толчки от Дионы, поддерживающие Энцелад на его эллиптической орбите.

СЕВЕРНОЕ ПОЛУШАРИЕ
Как и наша Луна, Энцелад постоянно обращен к своей планете одной стороной. Направление на Сатурн задает 0° долготы. Области с кратерами расположены на оси Сатурн — Энцелад (0-180°). Области с трещинами перпендикулярны этой оси (90–270°). «Тигровые полосы» покрывают южный полюс и окружены цепью гор. Такая ориентация наводит на мысль, что гравитация Сатурна косвенно повлияла на формирование поверхности спутника.
ЮЖНОЕ ПОЛУШАРИЕ

    Но даже этих особых условий не достаточно. Дженнифер Мейер (Jennifer Meyer) и Джек Виздом (Jack Wisdom) из Массачусетсского технологического института, проанализировав орбиту Энцелада, выяснили, что поглощаемая им приливная энергия раз в пять меньше той, которая высвобождается из его южного полюса, причем это совершенно не зависит от того, как именно выделяется приливная энергия в недрах спутника. Энцеладу на его нынешней орбите просто не достаточно энергии для наблюдаемого тепловыделения.
ЧАСТЬ I

Автор материала: Каролин Порко, SciAm (Перевод: В.Г. Сурдин) 

Вот тут посмотрите - http://rus-massage.com/list/city-1/?page=4.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru